深入剖析LTC3624/LTC3624 - 2同步降壓調(diào)節(jié)器

引言

在電子設(shè)備的電源設(shè)計中，高效、穩(wěn)定的降壓調(diào)節(jié)器至關(guān)重要。LTC3624/LTC3624 - 2作為一款高性能的同步降壓調(diào)節(jié)器，以其寬輸入電壓范圍、低靜態(tài)電流和高轉(zhuǎn)換效率等特點，在眾多應(yīng)用場景中得到廣泛應(yīng)用。本文將對LTC3624/LTC3624 - 2進行詳細剖析，為電子工程師在電源設(shè)計中提供參考。

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產(chǎn)品概述

LTC3624/LTC3624 - 2是一款高效的17V、2A同步單片降壓調(diào)節(jié)器。其開關(guān)頻率固定為1MHz（LTC3624）或2.25MHz（LTC3624 - 2），且具有±40%的同步范圍。該調(diào)節(jié)器在寬輸出電壓范圍內(nèi)具有超低靜態(tài)電流和高效率的特點，適用于電池供電設(shè)備、便攜式儀器、應(yīng)急無線電等多種應(yīng)用場景。

關(guān)鍵特性

1. 寬輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為2.7V至17V，輸出電壓范圍為0.6V至輸入電壓，能滿足多種不同電源需求。
2. 高效率：最高效率可達95%，有效降低功耗，延長電池續(xù)航時間。
3. 低靜態(tài)電流：靜態(tài)電流低至3.5μA，零電流關(guān)斷功能進一步降低功耗。
4. 多種工作模式：支持脈沖跳頻、強制連續(xù)和Burst Mode? 等多種工作模式，可根據(jù)負載情況靈活選擇，在輕載時提供最高效率，同時可通過選擇不同模式來平衡輸出紋波和效率。
5. 同步功能：可同步至外部時鐘，便于系統(tǒng)集成和減少電磁干擾。
6. 內(nèi)部補償和軟啟動：內(nèi)部補償電路簡化了設(shè)計，軟啟動功能可避免啟動時的電流沖擊。
7. 過溫保護：內(nèi)置過溫保護功能，確保在異常情況下設(shè)備的安全運行。

電氣特性分析

輸入輸出電壓

輸入電壓范圍為2.7V至17V，輸出電壓可在0.6V至輸入電壓之間調(diào)節(jié)。對于固定輸出電壓選項，如LTC3624 - 3.3和LTC3624 - 5，輸出電壓精度可達±1%。

靜態(tài)電流

在不同工作模式下，靜態(tài)電流表現(xiàn)不同。在關(guān)斷模式下，輸入靜態(tài)電流低至0.1μA；在Burst Mode運行時，為3.5μA；在強制連續(xù)模式下，為1.8mA。

開關(guān)頻率

LTC3624的開關(guān)頻率為1MHz，LTC3624 - 2為2.25MHz，且具有±40%的同步范圍，可根據(jù)實際需求進行同步。

其他特性

還具有參考電壓線調(diào)節(jié)、輸出電壓負載調(diào)節(jié)、NMOS和PMOS開關(guān)泄漏電流、導(dǎo)通電阻等電氣特性，這些特性共同保證了調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定運行。

工作原理

主控制回路

在正常運行時，時鐘周期開始時頂部功率開關(guān)（P溝道MOSFET）導(dǎo)通，電感電流上升至峰值后，頂部功率開關(guān)關(guān)斷，底部開關(guān)（N溝道MOSFET）導(dǎo)通，直至下一個時鐘周期。峰值電流水平由內(nèi)部補償?shù)腎TH電壓控制，誤差放大器將FB電壓與0.6V內(nèi)部參考電壓進行比較，根據(jù)負載電流的變化調(diào)整ITH電壓，使平均電感電流與負載電流匹配。

低電流運行模式

1. Burst Mode運行：通過將MODE/SYNC引腳連接到INTVCC選擇該模式。在輕載時，即使誤差放大器輸出要求較低，電感峰值電流也至少為800mA。當(dāng)ITH電壓低于0.2V時，開關(guān)進入睡眠模式，此時僅消耗3.5μA的靜態(tài)電流，直到外部負載將輸出電壓拉低至調(diào)節(jié)點以下。
2. 脈沖跳頻模式：將MODE/SYNC引腳接地選擇該模式。該模式下電感峰值電流至少為132mA，輸出紋波比Burst Mode運行時低，但效率略低。

強制連續(xù)模式運行

將MODE/SYNC電壓設(shè)置在1V至VINTVCC - 1.2V之間，可使調(diào)節(jié)器工作在強制連續(xù)模式。在此模式下，無論輸出負載電流如何，開關(guān)都會逐周期切換，最小峰值電流設(shè)置為 - 266mA，以確保在零輸出負載時也能連續(xù)運行。

高占空比/降壓運行

當(dāng)輸入電源電壓接近輸出電壓時，占空比增加，需要斜率補償來維持固定開關(guān)頻率。LTC3624/LTC3624 - 2內(nèi)部電路可在高占空比下準確維持3A的峰值電流限制。當(dāng)占空比接近100%時，調(diào)節(jié)器進入降壓運行狀態(tài)，根據(jù)所選模式的不同，可在睡眠模式和正常運行模式之間切換，以降低靜態(tài)電流。

輸入過壓保護

LTC3624/LTC3624 - 2持續(xù)監(jiān)測VIN引腳的過壓情況，當(dāng)VIN超過19V時，調(diào)節(jié)器關(guān)閉兩個功率MOSFET，暫停運行；當(dāng)VIN降至18.5V以下時，調(diào)節(jié)器立即恢復(fù)正常運行，并執(zhí)行軟啟動功能。

最小導(dǎo)通時間

最小導(dǎo)通時間通常為60ns，在強制連續(xù)模式下，LTC3624的最小占空比為6%（FSW = 1MHz），LTC3624 - 2為13.5%（FSW = 2.25MHz）。若違反最小導(dǎo)通時間限制，輸出電壓可能失去調(diào)節(jié)，此時可選擇Burst Mode或脈沖跳頻模式，或使用較慢的外部時鐘來滿足最小導(dǎo)通時間要求。

低電源運行

LTC3624內(nèi)置欠壓鎖定電路，當(dāng)輸入電壓低于2.7V時，調(diào)節(jié)器關(guān)閉。當(dāng)輸入電壓略高于欠壓閾值時，開關(guān)開始基本運行，但由于柵極驅(qū)動不足，頂部和底部開關(guān)的RDS(ON)會略高于電氣特性中規(guī)定的值。

軟啟動

LTC3624/LTC3624 - 2具有1ms的內(nèi)部軟啟動斜坡，啟動時以脈沖跳頻模式運行，可避免啟動時的電流沖擊。

應(yīng)用設(shè)計要點

輸出電壓編程

對于可調(diào)輸出版本，輸出電壓通過外部電阻分壓器設(shè)置，公式為 (V_{OUT }=0.6 V cdotleft(1+frac{R 2}{R 1}right)) 。對于固定輸出選項，將FB引腳直接連接到VOUT。

輸入電容選擇

輸入電容用于過濾頂部功率MOSFET漏極的方波電流，應(yīng)選擇低ESR、能承受最大RMS電流的電容。最大RMS電流計算公式為 (RMS cong I{OUT(MAX) } frac{V{OUT }}{V{IN }} sqrt{frac{V{IN }}{V{OUT }}-1}) ，在 (V{IN }=2 ~V{OUT }) 時達到最大值 (I{RMS } cong frac{I_{OUT }}{2}) 。為確?？煽啃裕蛇M一步降額選擇電容或選擇更高溫度額定值的電容，也可并聯(lián)多個電容以滿足設(shè)計要求。

輸出電容選擇

輸出電容的選擇取決于有效串聯(lián)電阻（ESR）和所需的大容量電容，以最小化電壓紋波和負載階躍瞬變，并確保控制回路穩(wěn)定。輸出紋波計算公式為 (Delta V{OUT }{L}left(frac{1}{8 cdot f cdot C_{OUT }}+ESRright)) ?？筛鶕?jù)實際需求選擇干鉭電容、特殊聚合物電容、鋁電解電容或陶瓷電容等，陶瓷電容具有低ESR和小尺寸的優(yōu)點，但使用時需注意防止輸入輸出端的振鈴問題。